GaAs基2微米波段亚原子层量子点材料生长与激光器研制

The 2μm lasers are largely required for the gas detection and medical applications. The GaAs-based lasers have some advantages such as low-cost and mature fabrication technology and so on. However, the emission wavelength of the InAs/GaAs quantum dot lasers by Stranski-Krastanow growth mode is about 1 to 1.3μm. This program aims at studying the physics of the epitaxial growth and device fabrication on the GaAs-based 2μm lasers using submonolayer (SML) quantum dot（QD） growth technique by molecular beam epitaxy. Two scientific problems have to be addressed. One is how to extend the emission wavelength to 2μm on the GaAs substrate, and the other is how to enhance optical quality with increasing the wavelength. We will solve the two problems by using the strain-driven engineering method to extend the wavelength, and by depositing multi-period SML QD layers to improve the material gain and to increase the intensity of photoluminescence (PL) by controlling the indium segregation. The goal of the program is to make the original devices by investigating the growth mechanism of SML QDs， the impact of growth parameters and laser structures on the emission wavelength, and how to enhance the PL intensity and the material gain.

2μm波段激光器在气体检测和医疗等方面具有巨大的市场需求，虽然GaAs基激光器具有低成本和工艺成熟等优点，但目前Stranski-Krastanow模式生长的InAs/GaAs量子点激光器发射波长主要集中在1-1.3μm。本课题基于分子束外延技术，采用亚原子层生长模式开展GaAs基2μm波段量子点材料生长及激光器的研制工作。针对在GaAs衬底上如何实现2μm发射波长的拓展及发光强度随波长减弱两个科学问题，我们拟采用应变驱使的能带工程来实现波长拓展，采用多周期叠层沉积InAs亚原子层量子点方式增加材料增益，结合控制In组分偏析等手段来提高发光强度。通过研究亚原子层量子点材料生长机制、生长参数及器件结构对发射波长的影响，探索GaAs基量子点材料波长拓展、发光强度及材料增益增加新途径，最终获得具有自主知识产权的2μm新型原型器件。

2μm波段激光器在气体检测和医疗等方面具有巨大的市场需求，该波段的半导体激光器主要采用GaSb基量子阱和InP基大失配量子阱结构。GaAs基激光器具有高质量、低成本和工艺较为成熟等优点，但目前InAs/GaAs量子点材料发光主要集中在1-1.5μm。本课题基于分子束外延系统采用亚原子层生长模式开展GaAs基2μm波段InAs量子点材料生长及激光器的研制工作。重点开展2μm波段InAs 亚原子层量子点材料外延生长研究，研究亚原子层量子点材料生长机制、材料生长参数及器件结构对发射波长的影响，充分发挥亚原子层量子点材料的优势，通过对材料外延生长和应变驱使的能带工程相关机理的研究，探索GaAs基量子点材料波长拓展、提高光学质量及材料增益新途径。.为了实现波长在2微米，本课题设计了一种GaAs基长波长光荧光发射的量子结构。其中InAs层采用SML（submonlayer）技术生长，间隔层采用InAlAs和AlGaAs两种材料。当InAlAs和AlGaAs的厚度都是1ML时，通过改变SML InAs的沉积厚度，可以控制这种量子结构的PL波长：在12K下，这种SML量子结构的PL波长范围在1.66μm至1.78μm之间。在120K时，这种SML量子结构的PL波长可以大于1.9μm。结果表明，亚单层InAs量子结构中的二维和三维岛均对PL峰有贡献。实现长波长光荧光发射可能是铟原子与其它III族元素互混的结果。并依据SML结构TEM图像的报道，对这种互混后的SML量子结构进行了模拟，计算结果表明互混现象会使得波长有较大的红移。为了优化生长条件，外延了三个InAlAs厚度不同的样品，它们的PL测试结果表明，与InAlAs为1ML的样品对比，将InAlAs层减薄至0.5ML时，波长红移，PL峰强度也更大。而将InAlAs厚度从1ML增加到2ML时，样品的波长也产生红移，但是强度明显减低。因此，InAlAs厚度为0.5ML是波长较长、而且强度也较大的优化条件。该课题为实现在GaAs基低成本的2μm波段的发射波长，做了大量的开拓性工作，后续研究者可以借鉴。